Tutorial Ansys Fsi

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INTRODUO A finalidade deste trabalho o desenvolvimento de um tutorial que possibilite mostrar passo a passo a construo de um modelo que represente um problema de interao fluido-estrutura (artria e corrente sangunea, ou um caso semelhante), usando o software comercial ANSYS. A metodologia aplicada foi centrada em demonstraes visuais atravs de fotos de janelas do prprio software, deixando assim, mais clara a visualizao dos comandos e a localizao dos mesmos. Devido s inmeras formas de aplicaes do problema com interao entre fluido e estrutura, o usurio poder no usar completamente todos os comandos apresentados ou at mesmo precisar de outros no mencionados nesse trabalho, j que cada problema tem sua particularidade. O trabalho estar dividido basicamente em trs etapas: Pr-processor Fase inicial da modelagem. Ser mostrado passo a passo a construo de um modelo simulando um fluido escoando no interior de uma parede elstica em 3D (modelo este que ser baseado em um caso especfico para simulao de um fluxo sanguneo dentro de uma artria). Solution Apresentao geral dos comandos oferecidos para a definio dos parmetros, restries, aplicaes de foras, presses, velocidades de fluidos e propriedades gerais. Lembrando sempre que cada usurio estar trabalhando com um caso especfico e, portanto, podero atribuir dados de acordo com seus parmetros definidos. Ps-processor ltima parte do trabalho, responsvel pela apresentao dos resultados (grficos, plotagens, listas de resultados e animaes).

O QUE ANSYS? ANSYS um poderoso programa que utiliza o mtodo de elementos finitos para anlise de projetos, tais como: estruturas estticas ou dinmicas, fluidos, transferncia de calor, acstica e eletromagntica. A anlise por elementos finitos feita pelo ANSYS pode ainda ser dividida em trs etapas: 1. Pr-processamento (Preprocessor): Esta a etapa inicial do processo no qual possvel criar o modelo para anlise. possvel definir a malha, o tipo de elemento, propriedades geomtricas e at as propriedades do material. Podemos tambm definir as condies de contorno e carga aplicadas (essas ferramentas tambm esto presentes no segundo passo da anlise). Os detalhes do estudo dependero da dimenso do problema (1D, 2D ou 3D). 2. Soluo (Solution): Na segunda etapa do processo possvel definir o tipo de anlise (esttica, modal, transiente, entre outras), condies de contornos, cargas aplicadas, restries de movimento e clculo de resultados. 3. Ps-processamento (Postprocess). A terceira e ltima etapa do processo permite a anlise e visualizao dos resultados como: diagramas de tenso, deformao e deflexo, apresentao dos pontos crticos, listagem dos deslocamentos nodais, de tenses ou qualquer outro tipo de varivel de anlise.

AMBIENTE DO ANSYS O ambiente do ANSYS consiste em duas janelas: a principal (main window) e a outra de sada (output window). Janela Principal

Fig. 1: Janela Principal (main window). Nesta janela o usurio realiza todas as tarefas para anlise e visualiza os resultados da anlise. Ela composta por: Menu de utilidades:

Contm todas as funes disponveis, tais como: controle de arquivos, pastas, grficos e parmetros, selees. Linha de comando de entrada: Mostra ao usurio mensagens do programa, comandos executados e tambm permite que alguns comandos possam ser digitados diretamente. Menu principal: O usurio pode encontrar de maneira rpida funes primrias do ANSYS, organizadas de maneira simples em: pr-processamento, soluo e psprocessamento. Janela grfica: Possibilita ao usurio criar um modelo, aplicar cargas, definir restries e visualizar os resultados. Janela de sada responsvel por mostrar as aes realizadas dentro do programa; est sempre aberta quando o programa executado (caso usurio tente fechar essa janela, todo o programa finalizado) e pode ser vista se selecionada pelo usurio.

Fig. 2: Janela de sada do ANSYS. Tipos de Arquivos do ANSYS

Fig. 3: Tabela com os tipos de arquivos dos ANSYS (Fonte: Santos, S.C., 2008). Comandos para Salvar e Recuperar Dados O usurio do programa ANSYS pode contar com opes para recuperar e salvar dados caso precise, so esses: o Clear & Start New: Utilizado para limpar todo o banco de dados; o Change Jobname: Pode-se mudar o nome do arquivo de extenso, tipo *.db; o Change Directory: Altera a pasta onde so gerados os arquivos do projeto (recomenda-se criar uma pasta para cada tipo de anlise e abrir a partir desse comando para facilitar o processamento, caso no feita em sesso nica); o Change Title: Muda o ttulo do projeto; o Resume Jobname.db: Restaura o ltimo salvamento do arquivo; o Resume from: Abre o arquivo j existente de extenso *.db; o Save as Jobname.db: Salva o projeto atual; o Save as: O usurio pode salvar o projeto atual com outro nome.

Ao finalizar o programa ANSYS o usurio tem algumas opes de salvamento fornecidas automaticamente pelo software. o EXIT/Save Geom+Loads: Salva os dados do pr-processamento; o EXIT/Save Geo+Lod+Solu: Salva todos os dados do modelo e dados da soluo; o EXIT/Evertihng: Salva todos os dados do modelo, soluo e do psprocessamento; o EXIT/NO SAVE: No salvo nenhum dos dados da anlise; Execuo do software ANSYS O usurio pode executar sua anlise por dois mtodos: um consiste em utilizar o menu principal, onde todas ferramentas para realizao do processo de anlise se encontram; o outro, indicado para usurios com conhecimentos avanados, consiste em inserir todo o processo de anlise por meio de comandos, o que facilita a manipulao dos dados e propriedades do modelo, alm de que, comparado ao primeiro, se torna bem mais rpido. Nesse tutorial iremos aplicar o primeiro mtodo. MODELANDO O PROBLEMA A partir de agora vamos observar, passo a passo, como ser feito um modelo da artria e o fluxo sanguneo utilizando, para tanto, o software ANSYS. Tal modelo no utilizar valores de quaisquer propriedades ou dimenses, apenas ser levado em conta o processo de construo, contudo, servir como auxlio para outros trabalhos que apresentem problema de interao fluido-estrutura.

PR-PROCESSAMENTO (PR-PROCESSOR) PASSO 1 - Escolher as preferncias de modelagem no filtro de opes. Neste passo, o usurio tem a opo de escolher as preferncias para modelagem, como por exemplo: trmico, magntico, eltrico, fluido, estrutural. Cabe salientar que esse passo pode ser ignorado pelo usurio, j que ele funciona apenas para filtrar as opes que o programa ir fornecer mais adiante, oferecendo somente os dados referentes ao tipo de anlise. Selecionaremos para nosso tipo de anlise estrutural o FLOTRAN CFD. Preferences Structural/FLOTRAN CFD OK.

Fig. 4: Seleo das preferncias para anlise.

PASSO 2 - Escolher os tipos de elementos e graus de liberdade para anlise. Iniciaremos efetivamente a fase de pr-processamento com a escolha dos tipos de elementos para nossa anlise. Usaremos para esse exemplo de anlise o elemento SOLID 187 para estrutura e FLUID 142 para representar o fluido. O elemento SOLID 187 representado na figura 5, logo abaixo, utilizado para estruturas finas, que servir para nosso exemplo, pois se trata de um modelo arterial. O elemento composto de 10 ns e 3 graus de liberdade em cada um.

Fig. 5: SOLID 187 Geometria tetradrica e localizao dos ns. Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Solid Tet 10nodes 187

Fig. 6: Definindo o tipo de elemento para estrutura. O elemento FLUID 142 (figura 7) utilizado para problemas de fluidos com escoamento em regime transiente, fluidos incompressveis e rotacionais. Suas equaes de conservao so para escoamentos de fluidos viscosos. Utilizado para anlises de interao fluido-estrutura, esses elementos possuem 8 ns e 7 graus de liberdade, sendo presentes nos campos de presso, deslocamento e velocidade.

Fig. 7: FLUID 142 Geometria, localizao dos ns e sistema de coordenadas. Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete FLOTRAN CFD 3D FLOTRAN 142

Fig. 8: Definindo o tipo de elemento para o fluido. Definidos os elementos para anlise, vamos selecionar os graus de liberdade para obter os resultados do processo. Preprocessor Element Type Add DOF

Fig. 9: Definindo os graus de liberdade para anlise. Esto disponveis vrias opes para o usurio escolher aquela que melhor se adequa ao seu trabalho. J para evitar usar controles desnecessrios, existe uma tabela no HELP do ANSYS que mostra as definies de cada comando. Essa tabela est representada abaixo: DISCIPLINA GRAUS DE LIBERDADE Estrutural Trmico Magntico Eltrico Fluido Translao Rotao Temperatura Vetorial Escalar Voltagem Velocidades COMANDO DO ANSYS UX, UY, UZ ROTX, ROTY, ROTZ TEMP, TBOT, TE2, ... TTOP AX, AY, AZ MAG VOLT VX, VY, VZ

Presso Energia Cintica Turbolenta

PRES ENKE

Razo de Dissipao Tubolenta ENDS Tabela 1: Graus de liberdade e aplicaes (Fonte: Help ANSYS). Passo 3 Propriedades do material. Aps escolher os elementos e os graus de liberdade para o estudo da anlise, iremos agora determinar as propriedades da estrutura, como: mdulo de elasticidade, coeficiente de Poisson, densidade da parede. A escolha das propriedades do fluido ficar para adiante, como veremos. Preprocessor Material Models Structural Linear Elastic Isotropic Aps selecionar o tipo de estrutura, ir aparecer uma janela para definio das propriedades do material (Figura 10). Mdulo de Elasticidade (EX) Coeficiente de Poisson (PRXY)

Fig. 10: Definindo propriedades da estrutura (mdulo de elasticidade e coeficiente de Poisson). Pode-se tambm definir a densidade (DENS) da estrutura. Preprocessor Material Models Structural Density

Fig. 11: Definindo a densidade da estrutura. Passo 4 Criando as Geometrias para Anlise Agora, iremos desenhar as geometrias para atribuio dos elementos. Como o problema em questo refere-se a uma interao fluido-estrutura que, por sua vez, acontece entre artria e fluxo sanguneo, criaremos dois cilindros. Os cilindros devero ser acoplados atravs de uma coordenada em comum entre eles, assim, ser construdo